การสร้างคลื่น FM: Frequency Modulation เป็นรากฐานสำคัญของ การสื่อสารไร้สายสมัยใหม่ ตั้งแต่การออกอากาศทางวิทยุที่คมชัดจนถึง การเชื่อมโยงข้อมูลระดับสูง (Data Link) ที่มีประสิทธิภาพ หัวใจสำคัญของวงจร การสร้างคลื่นความถี่ FM คือ อุปกรณ์ที่ผลิตจากเซมิคอนดักเตอร์ ซึ่งก็คือ ไดโอดวาแรกเตอร์ (varactor diode) แตกต่างจากไดโอดกรองกระแสชนิดอื่น ตรงที่ไดโอดวาแรกเตอร์ไม่ได้ใช้แปลงกระแสไฟฟ้าสลับเป็นไฟฟ้ากระแสตรง แต่เป็นที่นิยมมาจากคุณสมบัติทางอิเล็กทรอนิกส์ที่เป็นเอกลักษณ์ กล่าวคือ ตัวเก็บประจุที่ขึ้นอยู่กับแรงดันไฟฟ้า (voltage-dependent capacitance) 

บทความนี้จะเจาะลึกหลักการพื้นฐานของไดโอดวาแรกเตอร์ และ อธิบายเกี่ยวกับบทบาทสำคัญของไดโอดในการสร้างสัญญาณ FM 

เข้าใจตัวเก็บประจุควบคุมแรงดันไฟฟ้า (Voltage-Controlled Capacitor)

ไดโอดวาแรกเตอร์ หรือที่รู้จักกันในชื่อวาริแคป หรือไดโอดจูนนิ่ง (varicap or tuning diode) ทำงานในโหมดไบแอสแบบย้อนกลับ แม้ว่าไดโอดมาตรฐานทั่วไป จะถูกออกแบบมาเพื่อลดกระแสย้อนกลับ วาแรกเตอร์กลับถูกออกแบบมาเพื่อใช้ ประโยชน์จากปรากฏการณ์บริเวณรอยต่อ depletion region เมื่อแรงดันไบแอส ย้อนกลับจะถูกจ่ายผ่านรอยต่อ PN พาหะตัวนำประจุจะถูกดึงออกจากรอยต่อ ทำให้บริเวณ depletion region กลายเป็นฉนวนทำหน้าที่เป็นไดอิเล็กทริก ระหว่างบริเวณตัวนำทั้งสอง (P และ N) 

โครงสร้างนี้ทำหน้าที่เหมือนตัวเก็บประจุ คุณสมบัติสำคัญของวาแรกเตอร์ คือ ความกว้างบริเวณ depletion region จะเพิ่มขึ้นเมื่อแรงดันไบแอสย้อนกลับ เพิ่มขึ้น บริเวณที่กว้างขึ้นหมายถึงระยะห่างระหว่าง "แผ่น" มากขึ้นส่งผลให้ค่าความจุ ลดลง ในทางกลับกัน การลดลงของแรงดันไบแอสย้อนกลับจะทำให้บริเวณพร่อง แคบลงส่งผลให้ค่าความจุเพิ่มขึ้น ความสัมพันธ์แบบผกผันระหว่างแรงดันไฟฟ้า ที่จ่ายและค่าความจุที่รอยต่อเป็นหลักการพื้นฐานที่สร้างคลื่นแม่เหล็กไฟฟ้า (FM) 

กลไกหลักของการมอดูเลตความถี่ (FM)

ก่อนเชื่อมต่อวาแรกเตอร์กับกระบวนการต่อไป จำเป็นต้องจำไว้ว่า FM คือ การมอดูเลตความถี่ เทคนิคนี้ทำให้ความถี่ของคลื่นพาหะที่มีความถี่สูงแปรผันตาม แอมพลิจูดชั่วขณะของสัญญาณมอดูเลตความถี่ต่ำเช่น สัญญาณเสียงจาก ไมโครโฟน และแอมพลิจูดของคลื่นพาหะจะมีความคงที่ โดยการเปลี่ยน ความถี่เท่านั้น ตัวอย่างเช่น แรงดันไฟฟ้าบวกจากสัญญาณเสียงทำให้ความถี่ ของคลื่นพาหะเพิ่มขึ้น ในขณะที่แรงดันไฟฟ้าลบจะทำให้ความถี่ลดลง 

การผสานวาแรกเตอร์ (Varactor) กับวงจรออสซิลเลเตอร์ (Oscillator Circuit)

กุญแจสำคัญในการแปลงคุณสมบัติวาแรกเตอร์เป็นสัญญาณ FM อยู่ที่ การผสานเข้ากับวงจรออสซิลเลเตอร์เช่น วงจรแทงค์ LC ทั่วไป ประกอบด้วย ตัวเหนี่ยวนำ (L) และตัวเก็บประจุ (C) จะสร้างคลื่นไซน์ต่อเนื่อง (continuous sinusoidal) ที่ความถี่เรโซแนนซ์ ความถี่เรโซแนนซ์นี้ fr กำหนดโดยสูตร fr=12πLC 

ในวงจร LC ความถี่เสถียร อย่างไรก็ตาม หากส่วนประกอบใดส่วนประกอบหนึ่ง โดยเฉพาะตัวเก็บประจุ (C) ปรับเปลี่ยนได้ ความถี่เอาต์พุตของออสซิลเลเตอร์ก็ เปลี่ยนแปลงได้เช่นกัน นี่คือจุดที่ไดโอดวาแรกเตอร์ถูกนำมาใช้ การวาง ไดโอดวาแรกเตอร์ ในวงจรแทงค์ LC ของออสซิลเลเตอร์ ทำให้ค่าความจุที่ ขึ้นอยู่กับแรงดันไฟฟ้ากลายเป็นองค์ประกอบ 'C' ที่เปลี่ยนแปลง ได้ในสูตรความถี่เรโซแนนซ์

การสร้างโมดูเลเตอร์ FM โดยตรง (Direct FM Modulator)

วงจรโมดูเลเตอร์ FM แบบตรงที่ใช้งานได้จริง วงจรประกอบด้วย ออสซิลเลเตอร์ RF ที่มีความเสถียร เช่น ออสซิลเลเตอร์ Colpitts หรือ Clapp วงจรแทงค์ประกอบด้วยไดโอดวาแรกเตอร์ มีสัญญาณสำคัญ 2 สัญญาณ ถูกป้อนเข้าสู่วาแรกเตอร์ได้แก่ 1. ไบแอสย้อนกลับ DC แบบคงที่ ซึ่งกำหนดความถี่ กลางของคลื่นพาหะ เช่น 100 MHz สำหรับสถานีวิทยุ FM และ 2. สัญญาณมอดูเลต เสียง AC สัญญาณเสียงจะถูกเชื่อมต่อกับวาแรกเตอร์ผ่านตัวต้านทานและ ตัวเก็บประจุ แบบบล็อก เพื่อป้องกันไม่ให้ไบแอส DC ส่งผลกระทบต่อแหล่งกำเนิด เสียง เมื่อแรงดันไฟฟ้าของสัญญาณเสียงเพิ่มขึ้นและลดลงกระทันหัน แรงดันไบอัส DC จะเป็นบวกและลบ ที่จ่ายให้กับวาแรกเตอร์ แรงดันไฟฟ้าที่ผันผวนนี้ ทำให้ความจุ ของวาแรกเตอร์ลดลงและเพิ่มขึ้นตามจังหวะของคลื่นเสียง การเปลี่ยนแปลงความจุ นั้นจะ "ดึง" ความถี่เรโซแนนซ์ของออสซิลเลเตอร์ขึ้นและลงโดยตรง จึงสามารถสร้าง สัญญาณที่ปรับความถี่ FM ได้ที่เอาต์พุตของออสซิลเลเตอร์

สรุป

ไดโอดวาแรกเตอร์เป็นตัวเร่งปฏิกิริยาสำคัญในด้านการมอดูเลตความถี่ ด้วยการทำหน้าที่เป็นตัวเก็บประจุควบคุมแรงดันไฟฟ้า ไดโอดจึงเป็นวิธีการทาง อิเล็กทรอนิกส์ที่ตรงไปตรงมาในการส่งข้อมูลไปยังคลื่นพาหะ โดยการเปลี่ยนแปลง ความถี่ การรวมไดโอดเข้ากับวงจรออสซิลเลเตอร์ช่วยให้สามารถสร้างสัญญาณ FM ได้อย่างมีประสิทธิภาพ  ซึ่งเป็นแกนหลักของระบบสื่อสารปัจจุบัน แม้จะมีความท้าทายด้านการใช้งานเกี่ยวกับเอาท์พุตเรื่องความเป็นเชิงเส้น และเสถียรภาพ แต่มอดูเลเตอร์ FM ที่ใช้วาแรกเตอร์ยังคงเป็นโครงสร้างวงจรพื้นฐาน และถูกนำไปใช้อย่างแพร่หลาย